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突破性成果！科學(xué)家開發(fā)出用于X射線的消色差透鏡

發(fā)布日期： 2022-03-15 11:45:53 來源：科技日報

瑞士保羅謝勒研究所(PSI)的科學(xué)家開發(fā)了一種突破性的X射線消色差透鏡。這使得X射線束即使具有不同的波長也可以準(zhǔn)確地聚焦在一個點上。根據(jù)14日新發(fā)表在《自然·通訊》上的論文，新透鏡將使利用X射線研究納米結(jié)構(gòu)變得更加容易，特別有利于微芯片、電池和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研發(fā)工作。

要想在攝影和光學(xué)顯微鏡中產(chǎn)生清晰的圖像，消色差透鏡必不可少。它們可以確保不同顏色，即不同波長的光，能夠清晰聚焦，從而消除模糊現(xiàn)象。

直到現(xiàn)在才開發(fā)出一種用于X射線的消色差透鏡，這一事實乍一看可能令人驚訝，畢竟可見光消色差透鏡已經(jīng)存在了200多年。它們通常由兩種不同的材料組成。光線穿透第一種材料，分裂成光譜顏色，就像穿過傳統(tǒng)的玻璃棱鏡一樣。然后，它通過第二種材料來逆轉(zhuǎn)這種效果。在物理學(xué)中，分離不同波長的過程稱為“色散”。

然而，PSIX射線納米科學(xué)與技術(shù)實驗室X射線光學(xué)與應(yīng)用研究組負(fù)責(zé)人、物理學(xué)家克里斯蒂安·大衛(wèi)解釋說：“這種適用于可見光范圍的基本原理并不適用于X射線范圍。”對于X射線來說，沒有哪兩種材料的光學(xué)性質(zhì)在很大的波長范圍內(nèi)有足夠的差異，從而使一種材料可以抵消另一種材料的影響。換句話說，X射線范圍內(nèi)材料的色散太相似了。

此次，科學(xué)家沒有在兩種材料的組合中尋找答案，而是將兩種不同的光學(xué)原理聯(lián)系在一起。這項新研究的主要作者亞當(dāng)·庫貝克說：“訣竅是意識到我們可以在衍射鏡前面放置第二個折射鏡。”

PSI用已有的納米光刻技術(shù)來制造衍射鏡，并用微米級的3D打印制造出折射結(jié)構(gòu)，成功開發(fā)出用于X射線的消色差透鏡，解決了上述問題。

為了表征他們的消色差X射線透鏡，科學(xué)家們在瑞士同步輻射光源使用了一條X射線光束線，還使用光刻技術(shù)來描述X射線光束，從而描述消色差透鏡。這使得科學(xué)家們能夠精確地探測到不同波長的X射線焦點的位置。

他們還使用一種方法對新透鏡進(jìn)行了測試，這種方法將樣品以小光柵步移過X射線束的焦點。當(dāng)X射線束的波長改變時，用傳統(tǒng)X射線透鏡產(chǎn)生的圖像變得非常模糊。然而，當(dāng)使用新的消色差透鏡時，這種情況就不會發(fā)生。